球柵陣列垂直互聯傳輸性能分析與基板疊層設計

鄧國慶， 徐 正， 劉向宏， 王 松， 李帥召

(1.中國科學院空天信息創新研究院， 北京 100094； 2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院， 北京 100049；3.空裝北四代表室， 北京 100041)

有源相控陣雷達在國防軍事方面發揮著極大作用[1]。而T/R組件(transmitter and receiver module，T/R)是雷達關鍵部件，對有源相控陣雷達的天線陣列起著幅度、相位的控制作用，其重量和成本甚至可以達到雷達整機的60%，因此，T/R組件對于雷達整機的成本和尺寸控制非常關鍵[2]。傳統磚塊式T/R組件采用二維多芯片組件技術(2-D multi-chip module，2D-MCM)[3]，在廣泛用于微波電路的低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic, LTCC)基板表面或腔體內粘貼元器件，在基板表面和內部布線互連，并用殼體和蓋板實現氣密性封焊[4]。由于自身存在的限制，其組裝密度最大理論極限為85%[5]。隨著封裝技術的發展，組裝密度已接近理論極限，難以進一步提高[6]。為進一步實現小型化，采用的典型方式是將裸芯片或是封裝基板沿Z軸方向上垂直互聯，利用垂直方向上的空間提高組裝密度[7]；同時由于互聯線縮短，可以獲得更小的延遲和更好的高頻高速性能[8]。

國外針對T/R組件的微波垂直互聯和三維基板疊層研究較早[9]，并于2001年正式在第四代戰斗機F-22上應用[4]，2018年將三維LTCC技術應用于航天射頻模塊[10-11]。而中國目前也將基板垂直互聯作為熱點進行研究，先后提出了瓦片式和疊層式三維組件等形式來實現小型化[12-14]，并對3D射頻封裝結構的可靠性也進行了研究[15]。但垂直互聯在微波頻段傳輸性能的惡化依然是三維疊層結構的最大挑戰，結構參數對于傳輸性能的影響還未得到充分研究。

針對當前研究中存在的問題，提出一種球柵陣列(ball grid array,BGA)垂直互聯結構設計，分析關鍵結構參數對垂直互聯高頻傳輸性能的影響，包括焊球半徑、焊球中心距、地層反焊盤開孔半徑、通孔-焊球處焊盤半徑、微帶線-通孔過渡焊盤半徑、帶狀線-通孔過渡焊盤半徑等。最后結合工程應用，提出和設計了兩種新型的三維基板疊層無源結構，可滿足不同的I/O方式應用。

1 BGA垂直互聯設計

1.1 類同軸結構設計

三維基板疊層的關鍵在于板間垂直互聯，使信號完成下層基板到上層基板的傳輸。考慮到傳輸微波信號，采用焊球的類同軸結構，設置了如圖1所示的BGA垂直互聯結構。

圖1 BGA垂直互聯結構

該結構的下層基板采用帶狀線形式，上層基板采用微帶線形式，傳輸線末端以圓形焊盤過渡至基板內的通孔金屬來實現基板內部的垂直信號傳輸。通孔金屬與焊球連接實現基板間垂直互聯。

類同軸結構尺寸可根據同軸線計算公式確定信號焊球與屏蔽焊球的中心距，即

(1)

式(1)中：Z0為特征阻抗；R為中心焊球與屏蔽焊球距離；r為焊球半徑；εr為介質的相對介電常數。

在該模型中，r=0.25 mm，空氣的εr接近于1，Z0=50 Ω。計算可得R=0.575 mm。而由于模型按同軸線模型來作了近似，該尺寸還需要在仿真中進一步調節優化。

1.2 垂直互聯等效電路及電場分布

LTCC的BGA垂直互聯結構可以使用如圖2所示的RLC等效電路模型來分析，電感L表征了信號焊球在頻率升高時阻抗增大的特性，電阻R表征了傳輸結構的功耗。考慮到垂直互聯結構中的焊球和地層之間的寄生效應，用電容C來指代；而由于微帶線、帶狀線和通孔過渡處也設置了焊盤，在等效電路模型中添加C1、C2表示傳輸線-通孔轉換處與地層之間的寄生效應[4]。

圖2 等效電路模型

圖3所示為傳輸結構的電場能量分布，端口分別設置在下層基板的帶狀線和上層基板的微帶線上，電場能量經傳輸線到達垂直互聯結構，類同軸結構起電磁屏蔽作用，由底層基板傳輸到上層基板，無明顯能量損失。

圖3 電場能量分布

1.3 結構參數對垂直互聯性能的影響

該BGA垂直互聯結構有6個關鍵尺寸參數，分別是焊球半徑Rball、焊球中心距dviaball、地層反焊盤開孔半徑Rgnd、通孔-焊球處焊盤半徑Rpad、微帶線-通孔過渡焊盤半徑Rmlpad、帶狀線-通孔過渡焊盤半徑Rslpad。垂直互聯結構的微波傳輸性能會受到結構參數改變的影響，因此需要分析結構參數對微波傳輸性能的影響[16]。

1.3.1 焊球半徑

在仿真中設置焊球半徑為0.15～0.375 mm，以0.025 mm 步進。由圖4所示仿真結果可知，半徑小于0.2 mm 時，對回波損耗S11影響不大；而半徑按0.2～0.375 mm遞增時，回波損耗性能有大幅度優化，在8～10 GHz段優化明顯。而采用的這一系列焊球尺寸，都可使得回波損耗優于22 dB，性能良好。焊球半徑決定了板間垂直互聯高度，對等效電路模型中的電感L起影響作用，該尺寸的變化改變等效電感值，從而調整垂直互聯結構的匹配情況。

圖4 不同Rball下的S參數曲線

焊球半徑從0.15 mm遞增至0.2 mm時，插入損耗S21變化很小；從0.2 mm逐漸增加至0.375 mm時，插損性能隨焊球尺寸增加也逐漸優化。在該變化范圍內，插入損耗均優于0.14 dB。焊球大小除了影響板間垂直互聯高度外，也由于其類同軸結構，在中心距固定時，周圍的焊球尺寸越大，則周圍相鄰屏蔽焊球之間距離越近，越趨向于同軸線形式，屏蔽作用越好，則微波傳輸性能越好。

1.3.2 焊球中心距dviaball

屏蔽焊球和信號焊球以類同軸的形式排布，焊球中心距數值影響著該傳輸結構的特征阻抗，但由于該結構中屏蔽焊球圍繞中心焊球分布，未形成閉合外導體，并不完全符合同軸線公式計算結果。圖5所示為中心距從0.9 mm以0.1 mm增加至1.3 mm的仿真結果，可直觀看出隨著中心距的增大，回波損耗性能逐漸變差，并且變化幅度很大。從Smith圓圖可查看在X波段的匹配情況，中心距過大會影響阻抗匹配，引起回波損耗變差。而中心距在0.9～1.2 mm的范圍內時，回波損耗都優于21 dB；同時也緩解了中心距設置過小使得焊球裝配難度大、對準精度要求高的問題。

圖6所示的焊球中心距對于插入損耗的影響呈現明顯的規律性：當中心距從0.9 mm以0.1 mm的幅度步進至1.3 mm時，插入損耗依次增大，信號能量損失越多。在該變化范圍內，插入損耗均優于0.16 dB。類同軸結構的焊球排布起到了電磁屏蔽和防電磁輻射的作用，同時也連接了上下層基板的地層。當焊球大小固定而焊球中心距增加時，圍繞信號焊球圓周分布的屏蔽焊球之間距離拉大，屏蔽作用減弱，此時會有較多的電磁能量損失，造成插入損耗的增加。

圖6 不同dviaball下的S21曲線

1.3.3 地層反焊盤開孔半徑Rgnd

地層設置于LTCC基板內部，為實現基板內部垂直過渡，在地層設置開孔(即地層反焊盤開孔)以便中心通孔金屬通過。圖7所示為地層反焊盤開孔半徑對散射參數(S參數)的影響。

圖7 不同Rgnd下的S參數曲線

地層反焊盤開孔半徑以0.04 mm為步進單位，從0.31～0.39 mm增加時，回波損耗性能變好；從0.39～0.55 mm增加時，性能變差。據此可知地層的反焊盤開孔應限定于一定的閾值范圍。地層與信號通路間存在寄生電容效應，寄生電容隨著地層和信號通孔距離的減小而增大，結合等效電路知電路的阻抗匹配情況會隨之受到影響，進而影響回波損耗。由仿真結果可知，在0.39～0.51 mm的較大開孔半徑范圍內，回波損耗均優于21 dB；也增大了工藝窗口，一定程度上可減弱工藝誤差帶來的影響。

地層反焊盤開孔半徑從0.31～0.39 mm增加時，插入損耗略微變好；繼續增大至0.55 mm時，性能變差至0.16 dB。從仿真結果看，反焊盤半徑設置應在一定范圍內，較大的反焊盤半徑會使插入損耗有一定程度的惡化。

1.3.4 通孔-焊球處焊盤半徑Rpad

圖8所示為通孔-焊球處焊盤半徑對S參數的影響。該半徑以0.01 mm的幅度從0.16增加至0.2 mm，回波損耗逐漸優化，且均優于22 dB。通孔和焊球連接處的焊盤有兩個作用：一是從工藝角度，可在焊盤上刷涂焊膏，方便植球過程的進行，同時BGA植球還有自對準效應，可消除微小焊球對準誤差的影響[17]；二是通孔金屬柱和焊球的連接也是傳輸間斷點，存在微波信號不連續性，在此處會引起回波損耗和插入損耗的增加，而通過合理設置焊盤尺寸，可調節阻抗匹配，得到較好的微波傳輸性能。

圖8 不同Rpad下的S參數曲線

通孔-焊球處焊盤半徑從0.16增加到0.2 mm，插入損耗呈現優化趨勢，但變化幅度不大，優于0.14 dB。此處的焊盤半徑的大小調整主要是調整阻抗匹配，對于插入損耗的影響不大。

1.3.5 微帶線-通孔轉換焊盤半徑Rmlpad

在將信號從基板表面微帶線引入到基板內部類同軸的通孔結構中時，涉及到基板內的垂直信號過渡。為減小由水平到垂直方向、由微帶線到類同軸通孔形式帶來的信號傳輸不連續性，在通孔金屬柱和微帶線轉換處設置圓形焊盤，調節該結構使阻抗接近50 Ω的特征阻抗。在仿真模型中，微帶線-通孔轉換焊盤半徑范圍為0.18～0.22 mm，以0.01 mm來步進增加，仿真結果如圖9所示。在該變化范圍內，回波損耗都優于22 dB。焊盤尺寸的增加，對回波損耗起到了一定的優化作用。該范圍內較大的焊盤尺寸，更有利于形成良好的微波信號傳輸。

圖9 不同Rmlpad下的S參數曲線

微帶線-通孔轉換處焊盤半徑從0.18 mm增加到0.22 mm，插入損耗變化很小,均小于0.14 dB。此處的焊盤半徑的大小調整主要是調整因水平到垂直方向、傳輸線到類同軸通孔結構轉換的阻抗匹配情況，對于插入損耗的影響不大。

1.3.6 帶狀線-通孔轉換焊盤半徑Rslpad

信號在帶狀線和類同軸通孔結構中轉換時，依然是存在水平方向到垂直方向的轉換，與微帶線垂直轉換類似，在帶狀線與通孔金屬柱轉換處采用圓形焊盤進行阻抗匹配，以改善微波傳輸性能。從圖10所示的仿真結果來看，帶狀線焊盤的影響作用在1.5 dB以內；并且帶狀線焊盤尺寸在0.09～0.13 mm的較大范圍內的回波損耗可優于22 dB。

圖10 不同Rslpad下的S參數曲線

與其他兩種焊盤變化時的影響作用類似，插入損耗受焊盤大小變化的影響很小。在該尺寸范圍內，仿真得到的插入損耗都優于0.14 dB。

1.4 優化后仿真結果

基于以上參數掃描分析，得到圖11所示的優化后的仿真結果：在X波段內，回波損耗優于22.5 dB，插入損耗優于0.13 dB，微波傳輸性能良好。

圖11 優化后數仿真結果

至此，得到在X波段具有良好傳輸性能的BGA垂直互聯結構。以下將利用該結構進行無源結構全模型仿真。

2 無源基板疊層結構設計

基板疊層結構要考慮板間高度和I/O端口問題。

首先是板間高度設計。基板疊層垂直互聯的目的是為了上下層基板都能夠進行布線設計和元器件的安裝，實現Z方向的利用，最大限度地提高集成密度。此時下層基板就要預留出足夠的位置和高度來進行下層基板的IC和電容等元器件的安裝。考慮到焊球直徑一般較小，僅依靠焊球高度支撐難以滿足元器件安裝的高度要求，因此結合LTCC基板的制造特性，在下層LTCC基板制造腔體結構，進一步地增加元器件安裝區域的基板之間的高度差，保證基板疊層結構滿足功能實現的要求。

而對于I/O端口，考慮到組件對于雷達系統前后端的兼容性，且對于LTCC基板疊層后需要進行相應的測試及設置相應的測試端口，本文中設計了兩種水平方向信號和垂直方向信號兩種測試方案。

2.1 帶狀線-微帶線(SL-ML)作為I/O端口

結合LTCC基板的制作特點，可將下層基板邊緣設置為階梯形結構。在基板邊緣可實現水平方向上帶狀線-微帶線(stripline-microstrip,SL-ML)轉換，這樣可將信號引到基板邊緣的微帶線，此時信號處于水平傳輸方向。然后可以金絲鍵合到高頻介質板，從而可以使用玻珠連接器焊接方式來引出信號到矢量網絡分析儀等測試儀器。帶狀線信號至上層基板的傳輸可采用前文分析得到的BGA垂直互聯結構，將信號傳輸至上層基板上表面的微帶線。

根據該方式設置基板疊層結構如圖12所示，該模型按照如下信號通路：微帶線-帶狀線-通孔過渡-焊球垂直互聯-通孔過渡-頂層基板表面微帶線，并采用左右對稱結構。

圖12 SL-ML基板疊層結構

文章已對垂直互聯結構進行過分析和仿真，可將之前的結果應用于完整模型的垂直互聯部分，并根據需要，設置微帶線和帶狀線的轉換、下層基板的腔體結構(可為下層基板的元器件粘貼提供必要的空間)。經仿真優化，該完整無源結構回波損耗優于22 dB，插入損耗優于0.55 dB，得到良好的微波傳輸性能。仿真結果如圖13所示。

圖13 SL-ML結構的S參數曲線

2.2 表貼式SMP連接器作為I/O方式

采用表貼式SMP(subminiature push-on)作為I/O方式時，其基板疊層形式和SL-ML方式相同，最大的區別在于SL-ML方式是將端口設置在兩邊的水平方向微帶線上，而表貼式SMP方式是將信號通過底層基板的通孔金屬直接引到基板背面，此時信號處于垂直傳輸方向，再使用表貼式SMP連接器與測試設備相連。故無需進行下層基板微帶線和帶狀線的設計，而需要設計SMP的粘貼位置和地層布置。

該模型按照如圖14所示信號通路：SMP連接器-通孔過渡-焊球垂直互聯-通孔過渡-頂層基板表面微帶線，并采用左右對稱結構方式。

圖14 SMP基板疊層結構

對該無源結構，同樣可將BGA垂直互聯的分析和結論應用于完整模型的垂直互聯部分，并設置SMP和下層基板的腔體結構。經仿真優化，結果如圖15所示，該無源結構回波損耗優于18 dB，插入損耗優于0.22 dB，得到良好的微波傳輸性能，滿足組件使用要求。

圖15 SMP結構的S參數曲線

3 結論

提出一種BGA垂直互聯結構設計，詳細分析了結構參數對微波傳輸性能的影響，并針對不同場景給出了兩種I/O端口形式的三維基板疊層無源結構設計。得出以下結論。

(1)焊球半徑、焊球中心距和反焊盤半徑對回波損耗影響很大，尤其是在較低頻段；而三類焊盤尺寸對于回波損耗影響較小。焊球中心距和反焊盤半徑對于插入損耗影響較大，焊球半徑影響次之，三類焊盤對于插損的影響作用很小。

(2)BGA垂直互聯結構優化結果顯示，在X波段，回波損耗優于22.5 dB，插入損耗優于0.13 dB；同時各結構參數在較大范圍內依然能保持良好的微波傳輸性能，有很好的工藝兼容性。

(3)基于板間高度和I/O端口設計角度，提出了兩種形式的基板疊層設計。ML-SL形式回波損耗優于22 dB，插入損耗優于0.55 dB；表貼式SMP形式回波損耗優于18 dB，插入損耗優于0.22 dB。可根據端口形式和位置、對回波損耗和插入損耗的側重來選擇具體的方案。